如何选择和设计最佳的RTD温度传感系统

作者：Jellenie Rodriguez and Mary McCarthy

本文讨论了设计基于电阻温度检测器（RTD）的温度测量系统的历史和设计挑战。它还涵盖了RTD选择和配置权衡。最后，详细介绍了RTD系统的优化和评估。

为什么RTD温度测量很重要？

温度测量在许多不同的终端应用中发挥着重要作用，例如工业自动化、仪器仪表、CbM 和医疗设备。无论是监测环境条件还是校正系统漂移性能，高精度和精密度都非常重要。可以使用几种类型的温度传感器，例如热电偶、电阻温度检测器 （RTD）、电子带隙传感器和热敏电阻。与设计一起选择的温度传感器取决于被测温度范围和所需的精度。对于 –200°C 至 +850°C 范围内的温度，RTD 提供了高精度和良好稳定性的出色组合。

温度测量面临的主要挑战是什么？

挑战包括

电流和电压选择。RTD传感器是一种无源器件，不会自行产生电输出。激励电流或电压用于通过小电流通过传感器以产生电压来测量传感器的电阻。如何选择电流/电压？

2 线、3 线或 4 线是我设计的最佳选择吗？

RTD信号应该如何调理？

如何调整上述变量，以便转换器或其他构建块在其规范范围内使用？

连接系统中的多个 RTD——传感器是如何连接的？某些块可以在不同的传感器之间共享吗？对整体系统性能有何影响？

我的设计的预期误差是多少？

RTD 选择指南

即热电阻概述

对于RTD，传感器的电阻以精确定义的方式随温度变化。使用最广泛的RTD是铂Pt100和Pt1000，它们有2线、3线和4线配置。其他RTD类型由镍和铜制成。

 

RTD 类型	材料	范围
Pt100， Pt1000	铂（数字为0°C时的电阻）	–200°C 至 +850°C
Pt200， Pt500	铂（数字为0°C时的电阻）	–200°C 至 +850°C
铜10， 铜100	铜（数字为0°C时的电阻）	–100°C 至 +260°C
镍120	镍（数字为0°C时的电阻）	–80°C 至 +260°C

 

最常见的 Pt100 RTD 可以采用两种不同的形状：绕线和薄膜。每种类型都按照几种标准化曲线和公差构建。最常见的标准化曲线是DIN曲线。DIN代表“德国标准化研究所”，意思是“德国标准化研究所”。该曲线定义了铂 100 Ω传感器的电阻与温度特性、标准化公差和工作温度范围。这定义了RTD的精度，从0°C温度下100 Ω的基极电阻开始。 DIN RTD 有不同的标准公差等级。这些容差如表2所示，它们也适用于低功耗应用中有用的Pt1000 RTD。

 

传感器类型	DIN 类	公差 @ 0°C	公差 @ 50°C	公差 @ 100°C
Pt100 RTD 薄膜	B类	±0.30°C	±0.55°C	±0.80°C
Pt100 RTD 薄膜	A类	±0.15°C	±0.25°C	±0.35°C
Pt100 RTD 绕线/ 薄膜	1/3 B 类	±0.1°C	±0.18°C	±0.27°C

 

在选择RTD传感器时，必须同时考虑RTD本身及其精度。温度范围因元件类型而异，校准温度（通常在0°C）下表示的精度随温度而变化。因此，重要的是要定义被测量的温度范围，并考虑到任何低于或高于校准温度的温度都将具有更宽的公差和更低的精度。

RTD 按其在 0°C 时的标称电阻进行分类。 Pt100 传感器的温度系数约为 0.385 Ω/°C，Pt1000 的温度系数比 Pt100 大 10 倍。许多系统设计人员使用这些系数来获得近似的温度平移电阻，但Callendar-Van Dusen方程提供了更准确的平移。

温度 t ≤ 0°C 的方程为

温度 t ≥ 0°C 的方程为

哪里：

t 是 RTD 温度 （°C）

R即热处理（t） 是温度下的 RTD 电阻 （t）

R0是 0°C 时的 RTD 电阻（在本例中为 R0= 100 Ω） A = 3.9083 × 10−3

B = −5.775 × 10−7

C = −4.183 × 10−12

RTD 接线配置

选择RTD时需要考虑的另一个传感器参数是其接线配置，这将影响系统精度。市场上有三种不同的RTD接线配置，其中每种配置都有优点和缺点，并且可能需要不同的技术来减少测量误差。

2线配置是最简单但精度最低的配置，因为引线电阻误差及其随温度的变化会导致明显的测量误差。因此，这种配置仅在引线短路或使用高电阻传感器（例如Pt1000）的应用中有用，这两种应用都可以最大限度地减少引线电阻对精度的影响。

3 线是最常用的配置，因为使用三个引脚的优点，这在连接器尺寸最小化的设计中非常有用（需要三个连接端子，而 4 线 RTD 需要 4 线端子）。与2线配置相比，3线的精度也有显著提高。3线制中的引线电阻误差可以使用不同的校准技术进行补偿，本文稍后将介绍这些技术。

4线是最昂贵但最精确的配置。在这种配置中，消除了引线电阻引起的误差以及温度变化效应。因此，4线配置可实现最佳性能。

RTD配置电路

高精度和准确的RTD传感器测量需要精确的信号调理、模数转换、线性化和校准。RTD 测量系统的典型设计由不同的阶段组成，如图 2 所示。虽然信号链看起来简单明了，但涉及几个复杂的因素，设计人员必须考虑复杂的元件选择、连接图、误差分析和其他模拟信号调理挑战，这些挑战会影响整体系统板尺寸和物料清单（BOM）的成本，因为贡献模块的数量更多。从好的方面来说，ADI的产品组合中提供了大量集成解决方案。这种完整的系统解决方案可帮助设计人员简化设计，同时减小电路板尺寸、缩短上市时间并降低整个RTD测量系统的成本。

图1.RTD 接线配置。

图2.典型的RTD测量信号链模块。

三种RTD接线配置具有将RTD与其他外部元件连接或连接到ADC所需的不同接线技术，以及ADC的要求，例如激励电流和灵活的多路复用器。本节将更深入地了解并重点介绍每种RTD配置电路的设计和考虑因素。

Σ-Δ型ADC

Σ-Δ型ADC在设计RTD系统时具有多种优势。首先，由于Σ-Δ型ADC对模拟输入进行过采样，因此外部滤波被最小化，只需要一个简单的RC滤波器。它们在选择滤波器类型和输出数据速率方面提供了灵活性。内置数字滤波可用于抑制市电供电设计中来自主电源的任何干扰。AD7124-4/AD7124-8等24位高分辨率ADC的峰峰值分辨率最大为21.7位。其他好处是

模拟输入的宽共模范围

基准输入的宽共模范围

能够支持比率配置

缓冲基准和模拟输入

一些Σ-Δ型ADC高度集成，包括

可编程增益放大器 （PGA）

励磁电流

基准/模拟输入缓冲器

校准功能

它们显著简化了RTD设计，同时降低了BOM、系统成本、电路板空间和上市时间。

本文使用AD7124-4/AD7124-8作为ADC。这些是低噪声、低电流精密ADC，集成PGA、激励电流、模拟输入和基准电压缓冲器。

比率测量

比率式配置是使用电阻传感器（如RTD或热敏电阻）的系统的理想且经济高效的解决方案。采用比率法时，基准电压和传感器电压来自同一激励源。因此，激励源不需要精确。图3显示了4线RTD应用中的比例配置示例。恒定激励电流为 RTD 和精密电阻 R 供电裁判，在 R 两端产生的电压裁判作为RTD测量的参考电压。激励电流的任何变化都不会影响测量精度。因此，使用比率法允许使用噪声更大、更不稳定的激励电流。激励电流优于电压激励，因为它具有更好的抗噪性。本文稍后将讨论选择激励源值时要考虑的主要因素。

图3.4线RTD比率测量。

共享 IOUT/AIN 引脚

许多RTD系统设计人员使用集成多路复用器和激励电流的Σ-Δ型ADC，允许多通道测量，并灵活地将激励电流路由到每个传感器。AD7124等ADC允许单个引脚同时用作激励电流和模拟输入引脚（见图4）。IOUT和AIN之间共享引脚只需要每个3线RTD传感器两个引脚，这会增加通道数。但是，在这种配置中，抗混叠或电磁干扰（EMI）滤波中电阻R的值较大，可能会增加RTD电阻值的误差，因为R与RTD串联，因此可以使用有限的R值。这就是为什么通常建议为每个激励电流源使用专用引脚，以避免RTD测量中可能出现的误差。

图4.3线RTD，具有共享IOUT/AIN引脚。

4线RTD连接图

4线RTD配置可提供最佳性能。与其他两种配置相比，系统设计人员面临的唯一问题是传感器本身的成本和 4 针连接器的尺寸。在这种配置中，引线引起的误差本质上由返回线消除。4线配置使用开尔文检测和两根导线将激励电流传入和传出RTD，而其余两根导线检测RTD元件本身的电流。由于引线电阻引起的误差本质上是可以消除的。4线配置只需要一个激励电流IOUT，如图5所示。ADC的三个模拟引脚用于实现单个4线RTD配置：一个引脚用于激励电流IOUT，两个引脚作为全差分输入通道（AINP和AINM），用于检测RTD两端的电压。

当设计使用多个4线RTD时，可以使用单个激励电流源，激励电流被引导至系统中的不同RTD。通过将基准电阻放在RTD的低端，单个基准电阻可以支持所有RTD测量;也就是说，基准电阻由所有RTD共享。 请注意，如果ADC的基准电压输入具有宽共模范围，则基准电阻可以放置在高端或低端。因此，对于单个4线RTD，可以使用高端或低压侧的基准电阻。但是，当在系统中使用多个4线RTD时，将基准电阻放在低端是有利的，因为一个基准电阻可以由所有RTD共享。 注意，某些ADC包括基准电压缓冲器。这些缓冲器可能需要一些裕量，因此，如果缓冲器使能，则需要一个裕量电阻。使能缓冲器意味着可以将更可靠的滤波连接到基准引脚，而不会在ADC内引起增益误差等误差。

2线RTD连接图

2线RTD配置是最简单的配置，如图6所示。对于2线配置，只需要一个激励电流源。因此，ADC的三个模拟引脚用于实现单个2线RTD配置：一个引脚用于激励电流IOUT，两个引脚作为全差分输入通道（AINP和AINM），用于检测RTD两端的电压。当设计使用多个2线RTD时，可以使用单个激励电流源，激励电流被引导至系统中的不同RTD。按照4线配置将基准电阻放置在RTD的低端，单个基准电阻可以支持所有RTD测量;也就是说，基准电阻由所有RTD共享。

2线配置是三种不同接线配置中最不精确的，因为测量点的实际电阻包括传感器的电阻以及引线RL1和RL2的电阻，从而增加了ADC两端的电压测量值。如果传感器是远程的并且系统使用很长的电线，那么误差将很大。例如，一根 25 AWG 铜线的 25 英尺长的等效电阻为 0.026 Ω/英尺（0.08 Ω/米），× 2 × 25 英尺为 1.3 Ω。 因此，由于导线电阻，1.3 Ω 的导线电阻会产生 （1.3/0.385） = 3.38°C（大约）的误差。导线电阻也随温度变化，这增加了额外的误差。

图5.单线和多路 4 线 RTD 模拟输入配置测量。

3线RTD连接图

使用3线RTD配置可以显著改善2线RTD配置的引线电阻引起的显著误差。在本文中，我们使用第二个激励电流（如图7所示）来消除RL1和RL2产生的引线电阻误差。因此，ADC的四个模拟引脚用于实现单个3线RTD配置：两个引脚用于激励电流（IOUT0和IOUT1），两个引脚作为全差分输入通道（AINP和AINM），用于检测RTD两端的电压。

图6.单线和多线 2 线 RTD 模拟输入配置测量。

图7.单线和多线 3 线 RTD 模拟输入配置测量。

有两种方法可以配置3线RTD电路。方法1将基准电阻放在顶部，使第一个激励电流IOUT0流向R裁判，RL1 然后进入 RTD，第二个电流流过 RL2 引线电阻并产生一个电压，该电压抵消了 RL1 引线电阻两端的电压降。因此，匹配良好的激励电流完全消除了引线电阻引起的误差。如果激励电流存在一些失配，则使用此配置可将失配的影响降至最低。相同的电流流向RTD和R裁判;因此，两个IOUT之间的任何不匹配仅影响引线电阻的计算。在测量单个RTD时，此配置非常有用。

测量多个3线RTD时，建议在底部使用基准电阻（方法2），以便仅使用单个基准电阻，从而最大限度地降低总成本。然而，在这种配置中，一个电流流过RTD，而两个电流都流过基准电阻。因此，IOUT中的任何不匹配都会影响基准电压的值以及引线电阻的消除。当存在激励电流不匹配时，此配置的误差将大于方法1。有两种可能的方法可以校准IOUT之间的失配和失配漂移，从而提高第二种配置的精度。首先是通过斩波（交换）激励电流进行校准，对每个相位进行测量，然后对两个测量值求平均值。另一种解决方案是自己测量实际激励电流，然后使用计算出的失配来补偿微控制器中的失配。有关这些校准的更多详细信息，请参见CN0383。

RTD 系统优化

从系统设计人员的问题来看，设计和优化RTD应用解决方案涉及不同的挑战。挑战一是前面几节中讨论的传感器选择和连接图。挑战二是测量配置，包括ADC配置、设置激励电流、设置增益和选择外部元件，同时确保系统优化并在ADC规格范围内运行。最后，最关键的问题是如何实现目标性能以及导致整体系统误差的错误源是什么。

幸运的是，有一个新的RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator，它提供了一个实践解决方案，用于设计和优化RTD测量系统，从概念到原型设计。

该工具

能够理解正确的配置、接线和电路图

协助了解不同的误差源，并允许设计优化

该工具围绕AD7124-4/AD7124-8设计。它允许客户调整激励电流、增益和外部元件等设置。它指示越界条件，以确保最终解决方案在ADC的规格范围内。

图8.RTD 配置器。

选择激励电流、增益和外部元件

理想情况下，我们倾向于选择更高幅度的激励电流，以产生更高的输出电压并最大化ADC输入范围。但是，由于传感器是阻性的，设计人员还必须确保大激励电流值的功耗或自热效应不会影响测量结果。系统设计人员可以选择高激励电流。但是，为了最大程度地减少自发热，需要在两次测量之间关闭激励电流。设计人员需要考虑系统的时序影响。另一种方法是选择较低的激励电流，以最大限度地减少自发热。时序现在已最小化，但设计人员需要确定系统性能是否受到影响。所有方案都可以通过RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator进行测试。该工具允许用户平衡激励电流、增益和外部元件的选择，以确保模拟输入电压得到优化，同时调整ADC增益和速度，以提供更好的分辨率和更好的系统性能，这意味着更低的噪声和更低的失调误差。

为了了解生成的过滤器配置文件或更深入地了解转换的时间，VirtualEval 在线工具提供了此详细信息。

Σ-Δ型ADC的ADC输入和基准输入均由开关电容前端连续采样。对于所讨论的RTD系统，基准输入也由外部基准电阻驱动。建议在Σ-Δ型ADC的模拟输入端使用外部RC滤波器，以实现抗混叠效果。出于EMC目的，系统设计人员可以在模拟输入和基准输入上使用较大的R和C值。较大的RC值会导致测量中的增益误差，因为前端电路没有足够的时间在采样时刻之间建立。缓冲模拟和基准输入可防止这些增益误差，并允许使用无限的R和C值。

对于AD7124-4/AD7124-8，当使用大于1的内部增益时，模拟输入缓冲器自动使能，由于PGA位于输入缓冲器的前面，由于PGA是轨到轨的，因此模拟输入也是轨到轨的。但是，对于基准电压缓冲器，或者在使能模拟输入缓冲器的情况下以增益为1的ADC使用ADC时，必须确保满足正确操作所需的裕量。

来自 Pt100 的信号是低电平的。它们大约为数百 mV。为了获得最佳性能，可以使用具有宽动态范围的ADC。或者，在将信号施加到ADC之前，可以使用增益级来放大信号。AD7124-4/AD7124-8支持1至128的增益，因此支持针对宽激励电流范围的优化设计。PGA增益的多个允许选项允许设计人员在激励电流值与增益、外部元件和性能之间进行权衡。RTD 配置器工具指示新的激励电流值是否可以与选定的 RTD 传感器一起使用。还建议了精密基准电阻和基准裕量电阻的合适值。请注意，该工具可确保ADC在规格范围内使用——它显示支持配置的可能增益。AD7124激励电流符合输出标准;也就是说，提供激励电流的引脚上的电压需要AVDD的一些裕量。该工具还将确保满足此合规性规范。

RTD工具允许系统设计人员保证系统在ADC和RTD传感器的工作限值范围内。基准电阻等外部元件的精度及其对系统误差的贡献将在后面讨论。

滤波选项（模拟和数字 50 Hz/60 Hz 抑制）

如前所述，建议将抗混叠滤波器与Σ-Δ转换器配合使用。由于嵌入式滤波器是数字滤波器，因此频率响应反映在采样频率周围。需要抗混叠滤波来充分衰减调制器频率和该频率的任何倍数下的任何干扰。由于Σ-Δ转换器对模拟输入进行过采样，因此抗混叠滤波器的设计大大简化，只需要一个简单的单极点RC滤波器。

当最终系统在现场使用时，处理来自系统运行环境的噪声或干扰可能非常具有挑战性，特别是在工业自动化、仪器仪表、过程控制或电源控制等应用领域，其中需要容忍噪声，同时不对相邻组件产生噪音。噪声、瞬变或其他干扰源会影响系统精度和分辨率。当系统由主电源供电时，也可能发生干扰。主电源频率在欧洲以 50 Hz 及其倍数产生，在美国以 60 Hz 及其倍数产生。因此，在设计RTD系统时，必须考虑具有50 Hz/60 Hz抑制的滤波电路。许多系统设计人员希望设计一个同时抑制50 Hz和60 Hz的通用系统。

大多数低带宽ADC，包括AD7124-4/AD7124-8，都提供各种数字滤波选项，可通过编程将陷波设置为50 Hz/60 Hz。所选滤波器选项会影响输出数据速率、建立时间以及50 Hz和60 Hz抑制。当启用多个通道时，每次切换通道时都需要一个建立时间以生成转换;因此，选择建立时间较长的滤波器类型（即sinc4或sinc3）将降低整体吞吐率。在这种情况下，后置滤波器或FIR滤波器可用于在较短的建立时间内提供合理的50 Hz/60 Hz同步抑制，从而提高吞吐速率。

功耗考虑

系统的电流消耗或功率预算分配高度依赖于最终应用。AD7124-4/AD7124-8包含三种功耗模式，可在性能、速度和功耗之间进行权衡。对于任何便携式或远程应用，都必须使用低功耗组件和配置，对于某些工业自动化应用，整个系统由4 mA至20 mA环路供电，因此最大电流预算仅为4 mA。对于此类应用，器件可以编程为中功耗或低功耗模式。速度要低得多，但ADC仍然提供高性能。如果应用是过程控制，由主电源供电，则允许更高的电流消耗，因此可以将器件编程为全功率模式，并且该系统可以实现更高的输出数据速率和更高的性能。

误差源和校准选项

了解所需的系统配置后，下一步是估计与ADC相关的误差和系统误差。这有助于系统设计人员了解前端和ADC配置是否满足整体目标精度和性能。RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator允许用户修改系统配置以获得最佳性能。例如，图 9 显示了所有错误的摘要。系统误差饼图表明，外部基准电阻的初始精度及其温度系数是影响整体系统误差的主要误差因素。因此，考虑使用精度更高、温度系数更好的外部基准电阻非常重要。

ADC引起的误差并不是导致整个系统误差的最重要误差因素。但是，使用AD7124-4/AD7124-8的内部校准模式可以进一步降低ADC的误差贡献。建议在上电或软件初始化时进行内部校准，以消除ADC增益和失调误差。请注意，这些校准不会消除外部电路产生的误差。但是，ADC也可以支持系统校准，从而将系统失调和增益误差降至最低，但这可能会增加额外的成本，并且大多数应用可能不需要。

故障检测

对于任何恶劣环境或安全优先的应用，诊断正在成为行业要求的一部分。AD7124-4/AD7124-8中的嵌入式诊断功能减少了实现诊断所需的外部元件，从而成为更小、更省时、更省钱的解决方案。诊断包括

检查模拟引脚上的电压电平，以确保其在指定的工作范围内

串行外设接口 （SPI） 总线上的循环冗余校验 （CRC）

内存映射上的 CRC

信号链检查

这些诊断可带来更强大的解决方案。根据IEC 61508，典型3线RTD应用的故障模式、影响和诊断分析（FMEDA）显示安全故障分数（SFF）大于90%。

RTD 系统评估

图10显示了注释CN0383中的一些测量数据。该测量数据使用AD7124-4/AD7124-8评估板捕获，该评估板包括2线、3线和4线RTD的演示模式，并计算出相应的摄氏度值。结果表明，2线RTD方案给出的误差接近误差边界的下限，而3线或4线RTD方案的总误差完全在允许的限值内。2线测量中的较高误差是由于前面描述的引线电阻误差造成的。

图9.RTD 误差源计算器。

这些示例表明，当与ADI公司的低带宽Σ-Δ型ADC（如AD7124-4/AD7124-8）配合使用时，遵循上述RTD指南将实现高精度、高性能设计。电路笔记（CN0383）还将作为参考设计，帮助系统设计人员快速进行原型设计。该评估板允许用户评估系统性能，其中可以使用每个示例配置演示模式。展望未来，可以使用AD7124-4/AD7124-8产品页面中提供的ADI生成的示例代码轻松开发不同RTD配置的固件。

ADC采用Σ-Δ架构，例如AD7124-4/AD7124-8，适用于RTD测量应用，因为它们解决了50 Hz/60 Hz抑制以及模拟和基准输入上的宽共模范围等问题。它们还高度集成，包含RTD系统设计所需的所有功能。此外，它们还提供增强的功能，如校准功能和嵌入式诊断。这种集成水平以及完整的系统宣传资料或生态系统将简化从概念到原型设计的整体系统设计、成本和设计周期。

为了简化系统设计人员的旅程，RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator工具以及在线工具VirtualEval、评估板硬件和软件以及CN0383可用于解决不同的挑战，例如连接问题和整体误差预算，并将用户的设计提升到一个新的水平。

结论

本文演示了设计RTD温度测量系统是一个具有挑战性的多步骤过程。它需要根据不同的传感器配置、ADC选择和优化以及这些决策如何影响整体系统性能做出选择。ADI RTD_Configurator_and_Error_Budget_Calculator工具、在线工具VirtualEval、评估板硬件和软件以及CN0383通过解决连接和总体误差预算问题来简化流程。

图 10.低功耗模式下的 2/3/4 线 RTD 温度精度测量后置滤波器，25 SPS。

审核编辑：郭婷